这台 3D 打印机可以弄清楚如何使用未知材料进行打印 | 麻省理工学院新闻

虽然 3D 打印已迅速普及，但这些打印机用来制造物体的许多塑料材料无法轻易回收。 虽然用于 3D 打印的新型可持续材料不断涌现，但它们仍然难以采用，因为需要针对每种材料调整 3D 打印机设置，而这一过程通常由手工完成。

要从头开始打印一种新材料，通常必须在软件中设置多达 100 个参数，以控制打印机在制造物体时如何挤出材料。 常用的材料，如大规模生产的聚合物，已经建立了一组参数，并通过繁琐的试错过程来完善。

但可再生和可回收材料的性能可能会因其成分而大幅波动，因此几乎不可能创建固定的参数集。 在这种情况下，用户必须手动提出所有这些参数。

研究人员通过开发一种 3D 打印机解决了这个问题，该打印机可以自动识别未知材料的参数。

来自麻省理工学院比特与原子中心 (CBA)、美国国家标准与技术研究所 (NIST) 和希腊国家科学研究中心 (Demokritos) 的合作团队改进了 3D 打印机的“心脏”挤出机，因此它可以测量材料的力和流动。

这些数据是通过 20 分钟的测试收集的，被输入到一个数学函数中，用于自动生成打印参数。 这些参数可以输入现成的 3D 打印软件，并用于打印前所未见的材料。

自动生成的参数可以取代通常必须手动调整的大约一半参数。 在使用独特材料（包括几种可再生材料）进行的一系列测试打印中，研究人员表明他们的方法可以一致地产生可行的参数。

这项研究有助于减少增材制造对环境的影响，增材制造通常依赖于来自化石燃料的不可回收聚合物和树脂。

“在本文中，我们演示了一种方法，可以采用所有这些有趣的生物基材料，并由各种可持续来源制成，并表明打印机可以自行弄清楚如何打印这些材料。 我们的目标是让 3D 打印更加可持续。”CBA 负责人、资深作者 Neil Gershenfeld 说道。

他的合著者包括第一作者 Jake Read，他是 CBA 研究生，领导了打印机的开发； Jonathan Seppala，NIST 材料科学与工程部门的化学工程师； Filippos Tourlomousis，前 CBA 博士后，现任 Demokritos 自主科学实验室负责人； James Warren，NIST 材料基因组计划的负责人； 以及 CBA 研究助理 Nicole Bakker。 这 研究发表 在日记中 整合材料和制造创新。

改变材料特性

在快速原型制作中经常使用的熔丝制造 (FFF) 中，熔融聚合物通过加热的喷嘴逐层挤出以构建零件。 称为切片机的软件向机器提供指令，但切片机必须配置为处理特定材料。

在 FFF 3D 打印机中使用可再生或回收材料尤其具有挑战性，因为影响材料特性的变量太多。

例如，生物基聚合物或树脂可能根据季节由不同的植物混合物组成。 根据可回收材料的不同，回收材料的特性也有很大差异。

“在《回到未来》中，有一位‘先生’。 Fusion 的搅拌机，医生只需将他拥有的任何东西扔进搅拌机，它就可以工作 [as a power source for the DeLorean time machine]。 这里也是同样的想法。 理想情况下，通过塑料回收，您可以将现有的东西撕碎并用它进行打印。 但是，对于当前的前馈系统来说，这是行不通的，因为如果你的灯丝在打印过程中发生显着变化，一切都会损坏，”Read 说。

为了克服这些挑战，研究人员开发了一种 3D 打印机和工作流程，可以自动识别任何未知材料的可行工艺参数。

他们首先使用实验室之前开发的 3D 打印机，该打印机可以捕获数据并在运行时提供反馈。 研究人员在机器的挤出机中添加了三台仪器，用于进行测量并计算参数。

称重传感器测量施加在打印耗材上的压力，而进给速率传感器测量耗材的厚度以及耗材通过打印机的实际进给速率。

“测量、建模和制造的融合是 NIST 和 CBA 合作的核心，我们致力于开发所谓的‘计算计量学’，”Warren 说。

这些测量结果可用于计算两个最重要但难以确定的打印参数：流量和温度。 标准软件中近一半的打印设置都与这两个参数相关。

派生数据集

新仪器安装到位后，研究人员开发了一项 20 分钟的测试，可在不同流速下生成一系列温度和压力读数。 本质上，测试包括将打印喷嘴设置在最热温度，使材料以固定速率流过，然后关闭加热器。

“弄清楚如何使该测试发挥作用确实很困难。 试图找到挤出机的极限意味着您在测试时会经常损坏挤出机。 关闭加热器并只是被动地进行测量的想法就是‘顿悟’时刻，”里德说。

这些数据被输入到一个函数中，该函数根据相对温度和压力输入自动生成材料和机器配置的真实参数。 然后，用户可以将这些参数输入 3D 打印软件并生成打印机指令。

在使用六种不同材料（其中几种是生物基材料）进行的实验中，该方法自动生成可行的参数，这些参数始终能够成功打印出复杂的物体。

展望未来，研究人员计划将此过程与 3D 打印软件集成，这样就不需要手动输入参数。 此外，他们希望通过整合热端的热力学模型来增强工作流程，热端是打印机熔化灯丝的部分。

这种合作现在正在更广泛地开发计算计量学，其中测量的输出是一个预测模型而不仅仅是一个参数。 研究人员将把这一技术应用到先进制造的其他领域，以及扩大计量学的应用范围。

“通过开发一种自动生成熔丝制造工艺参数的新方法，这项研究为使用具有可变和未知行为的回收和生物基长丝打开了大门。 重要的是，这增强了数字制造技术利用本地可持续材料的潜力，”智利圣地亚哥大学行政与经济学院副教授 Alysia Garmulewicz 说道，她没有参与这项工作。

这项研究部分得到了美国国家标准技术研究院和比特与原子联盟中心的支持。